Город Помпеи, погребенный под раскаленным пеплом Везувия в 79 году, уже несколько столетий служит для археологов бесценным окном в повседневную жизнь Римской империи. Сначала город засыпало осадком из пемзы и лапилли, затем его накрыли быстрые горячие пирокластические потоки, которые завалили и «цементировали» улицы, дома и предметы быта. Это позволило Помпеям сохраниться в том виде, в котором город оставили бегущие от извержения жители.
Для удобства археологических раскопок ученые разделили Помпеи на девять географических областей, названных регионами. В 1880-х годах исследователи приступили к раскопкам в регионе IX, но затем работу там надолго приостановили.
К раскопкам вернулись только в 2023-м, когда международная команда археологов под руководством Адмира Масича (Admir Masic) из Массачусетского технологического института в США организовала новую большую экспедицию. Специалисты не предполагали, что под слоем земли они найдут не просто очередную постройку, а своего рода полноценный бетонный завод I века.
Масич и его коллеги обнаружили строительную мастерскую, где рабочие готовили бетонные смеси. Пепел накрыл помещение в разгар работы, так что все материалы, инструменты и даже пометки на стенах с графиками работ и расчетами необходимых материалов хорошо сохранились.
В частности, ученые нашли инструменты каменщиков, груды вулканического песка, обломки переработанной черепицы и, что самое важное, аккуратные насыпи белого порошка — негашеной извести. Такой шанс изучить римские технологии в «первозданном» состоянии встречается крайне редко.
Мастерская дала возможность понять технологию, которую не удавалось полностью восстановить даже в лучших лабораториях мира. Открытие показало, что римляне изготавливали бетон иначе, чем это описывали древние тексты.
В этих текстах авторы утверждали, что для изготовления бетона строители использовали гашеную известь — гидроксид кальция. Согласно записям, материал для строительных работ получали так: римляне брали известь, добавляли воду, ждали реакцию, затем смешивали эту гашеную известь с вулканическим пеплом и остальными компонентами бетона.
Однако химический анализ сухих смесей из помпейской мастерской доказал обратное. Древние строители применяли метод так называемого горячего смешивания с использованием негашеной извести — оксида кальция.
Суть метода в следующем: негашеную известь в сухом виде смешивали со всеми другими сухими ингредиентами — вулканическим пеплом или пуццолановыми добавками. И только потом в эту сухую смесь добавляли воду.
При контакте воды с негашеной известью происходила бурная химическая реакция с выделением тепла. В результате этой реакции часть смеси заметно прогревалась, шла гидратация, а потом в результате последующего затвердевания формировалась плотная каменистая структура, то есть бетон.
Масич объяснил, что именно негашеная известь формировала основу прочного строительного бетона. Ее применяли в основном для отделочных штукатурок и растворов, где важны были пластичность и гладкость поверхности.
Одним из главных преимуществ метода горячего смешивания стало образование в застывшей массе особых включений — так называемых кластов. Эти мелкие фрагменты негашеной извести, не до конца прореагировавшие с водой, остаются в бетоне как резервуары активного кальция.
Когда в конструкции появлялись микротрещины, вода проникала в эти поры и вступала в реакцию с частицами извести. Кальций растворялся, затем снова кристаллизовался прямо внутри трещины, заполняя и «залечивая» повреждения. Кроме того, ионы кальция, взаимодействуя с вулканическим пеплом в составе бетона, делали материал еще долговечнее.
Ученые взяли куски бетона прямо из помпейской мастерской и рассмотрели их под микроскопом. Они изучали класты извести в контакте с зернами вулканического пепла.
Анализ образцов показал, что вокруг зерен вулканического пепла со временем шли длительные минерализационные реакции: кальций мигрировал в поры и превращался в кристаллы карбоната кальция, укрепляя структуру. По сути, бетон сам «наращивал» прочный новый материал внутри своих повреждений. То есть это подтверждало способность смеси к самовосстановлению.
Инструменты и сырье помогли реконструировать полный рабочий цикл римских строителей: подготовку компонентов, обработку извести, дробление заполнителей и последовательное смешивание компонентов.
По словам Масича, если бы современный бетонщик попал в помпейскую мастерскую, он сразу бы понял суть процесса и смог бы приступить к работе. Химические принципы остались теми же; главное отличие — в тщательном выборе и подготовке компонентов и в порядке их соединения, что обеспечивало римскому бетону повышенную прочность и долговечность.
Выводы исследования представлены в журнале Nature Communications.